置障空间可燃气体火焰传播特性数值模拟研究

为揭示置障管道内丙烷浓度对火焰传播特性影响,借助ANSYS Fluent软件,利用Zimont燃烧模型开展了置障管道内不同丙烷浓度预混气体燃爆规律的大涡模拟研究。结果表明:在阻塞率为0,0.5,0.7,0.9障碍物管道中火焰锋面速度峰值均随给定初始浓度的增加呈现先增大后减小的趋势,且峰值速度随阻塞率的增大而增大,丙烷体积分数为4.5%、阻塞率为0.9时,火焰传播峰值速度可达178.93 m/s;阻塞率越大,涡团规模越大,导致流场紊乱程度增大,湍流脉动增强,火焰面与流场相互作用,促使火焰面褶皱破碎,加速了已燃气体与未燃气体分子间的无规则运动,对燃烧反应起到激励作用;数值模拟结果直观展示了火焰传播进程及火焰结构的发展细节。     

置障管道内天然气爆炸过程微观特性数值模拟研究

为揭示障碍物对于火焰传播过程中的激励作用,采用Zimont火焰面模型对内置不同阻塞率障碍物的密闭管道内天然气-空气预混气体的燃爆过程进行数值模拟,结果表明障碍物对于天然气燃爆过程中火焰传播的激励作用明显,火焰传播经历了从层流向湍流的转变过程,70%阻塞率时激励作用达到最大,火焰前锋速度达到了1 156 m/s,管道内最大爆炸压力达到1.02 MPa;火焰传播至障碍物处时,不同阻塞率障碍物场中湍流动能峰值变化趋势基本一致,且高湍流动能区的分布与湍流动能峰值发生剧烈变化。     

多分支管道油气爆炸特性大涡模拟

为了研究油库常见的分支结构空间内发生油气爆炸时火焰和压力的传播特性,建立了基于WALE湍流模型及Zimont预混火焰模型的油气爆炸模型;模拟了6种不同分支管道结构空间内汽油/空气混合物爆炸发生发展过程;研究了分支管道数量及相对设置位置对爆炸超压的影响规律,以及分支管道对火焰传播形态和速度的影响规律;模拟结果与前人相关实验规律进行对比。研究结果表明:分支管道对汽油/空气混合气预混爆炸具有明显的强化激励作用;火焰锋面传播经过分支管道时,经历规则—褶皱—规则的变化过程;主管道内火焰传播速度,在分支管道对流场的突扩作用和湍流作用的共同影响下呈震荡变化的规律。     

变截面管道中气云的燃爆传播研究

工业尾气回收网结构复杂,存在许多变径结构,回收气体大多燃易爆,因此有发生燃爆事故的风险.为探究变径结构对可燃气云燃爆过程的影响,在管长为0.5m变截面管道内,采用预混燃烧模型和Zimont湍流燃烧模型,对可燃预混气体燃爆特性开展了大涡模拟(LES)研究.结果 表明:在0.5m管长的通径管道内,管道截面越小,管壁对火焰的约束作用越大,壁面反射增强,管道壁面形成的湍流加速壁面附近的火焰传播速度,使得Tulip火焰出现越早,达到最大火焰传播速度的位置距点火端越近;管道截面越小,火焰厚度越大.不同管道结构下Tulip火焰结构不同,在突缩和连续突缩管道中Tulip火焰产生变形,火焰锋面不再光滑;变截面结构对火焰传播有激励作用,管道内截面变化后涡团的产生和演化加速了火焰传播,突缩管道结构对火焰传播有明显的加速作用,因此尾气回收管网设计需尽量减少突缩管道结构或在突缩管道结构位置增加阻火装置.     

基于图像的火焰锋面法向速度场测量研究

火焰锋面是火焰的重要组成部分,反映了火焰的燃烧特性。针对传统方法测量火焰锋面速度场分辨率较低的问题,提出来了基于图像法测量火焰锋面法向速度场的方法。使用高速相机拍摄了多帧连续图像,提取火焰锋面,通过最小二乘法拟合锋面的切线,从而计算出每个点的法向速度,并进一步分析了火焰振荡的性质。实验表明该方法能够有效测量双瓦楞纸板产生的火焰在不同时刻的速度场,具有高分辨率、全场测量的特点,为其进一步推广提供了实验基础。     

有障碍物半开口管道内氢气燃烧数值模拟研究

基于有障碍物氢气燃烧实验装置进行数值模拟研究,采用Fluent软件分析了半开口管道内障碍物对氢气/空气燃烧特性的影响。结果表明:障碍物会促进实验管段内氢气火焰加速,随着障碍物阻塞率和数量的增加,火焰加速更快且燃烧压力峰值更大;在相同阻塞率下,障碍物形状对氢气火焰速度和燃烧压力峰值的影响很小;燃烧压力随障碍物间距的增大先增大后减小,障碍物间距为3倍管道内径时产生的燃烧压力峰值最大。     

条形障碍物对瓦斯爆炸特性影响研究

我国煤矿瓦斯爆炸事故不断出现,造成了巨大的人员伤亡和经济损失,在置障条件下研究瓦斯爆炸特性,对预防和减少瓦斯爆炸事故具有重要意义。利用水平管道式爆炸试验装置,研究密闭管道内条形障碍物的数量和阻塞率对管道内瓦斯最大爆炸压力、火焰速度、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数的影响以及敞口状态的影响。研究表明:障碍物对瓦斯爆炸具有显著激励作用,管道内瓦斯最大爆炸压力、火焰速度、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数均显著增大,随着障碍物数量和阻塞率的增加,激励作用越明显;敞口状态下管道内最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和爆炸指数均显著减小,火焰持续传播。研究结果对防治煤矿瓦斯爆炸事故提供一定的理论支持。     

突扩管道中H_2/Air预混火焰传播特性的数值模拟

为探究氢气(H_2)/空气(Air)预混气体爆炸事故中突扩型管道对火焰结构形成与发展造成的影响,基于k-ε湍流模型和β-flame火焰增厚模型,采用Flacs软件开展不同突扩角度β对突扩管道内火焰传播特性(速度和超压等)影响的数值模拟研究。结果表明:不同β的管道内H_2/Air预混火焰传播过程都经历熄灭与再次点燃阶段;β对管道内火焰传播距离有明显影响,随着β角度减小,火焰极限传播距离明显降低;β越小,管道内斜压作用对涡旋抑制效果越明显,进而越会抑制燃料组分的输运和火焰的继续传播。     

T型分支管道内油气爆炸火焰传播特性数值模拟研究

根据受限空间内油气爆炸特性,基于RNGk-ε湍流模型、Finite-Rate/Eddy-Dissipation化学反应模型和相应的控制方程,采用SIMPLE算法对T型分支管道内油气爆炸发生与发展过程进行了数值模拟。基于数值模拟结果分析了T型分支管道内火焰传播形态变化特征和火焰速度传播特性,并将仿真结果和实验结果进行了对比,发现仿真结果与实验结果吻合良好,表明建立的油气爆炸仿真计算模型可以较好反映管道内油气爆炸火焰传播特性。     

油气浓度对半开口管道爆炸超压特性与火焰行为的影响

为了研究油气浓度对半开口管道爆炸超压特性与火焰行为的影响,建立半开口透明管道实验台架,采用5种不同初始油气浓度,进行了一系列油气爆炸对比实验。研究结果表明:油气浓度对油气爆炸超压峰值以及升压速率有显著影响,二者都呈现随浓度的增加先增大后减小的变化规律;油气浓度对火焰锋面传播速度有着显著影响,在当量浓度比下,火焰锋面的传播速度最大,并且火焰锋面的传播距离也最远;管道内的火焰行为可以分为4个阶段;油气浓度对火焰传播形态以及传播速度有明显的影响,对火焰传播形态的影响主要体现在破坏变形以及管道外爆炸阶段,随着浓度增加,爆炸半径先增大后减小,火焰传播速度呈现相同的变化规律。     

甲烷体积分数对甲烷-煤粉复合火焰传播特性的影响

为探究甲烷体积分数对煤粉爆炸过程的影响,并掌握甲烷-煤粉爆炸火焰传播特征,通过粒度分析仪和同步热分析仪研究2种煤粉样品的粒径大小和热解过程。利用1 500 mm×80 mm×80 mm的半开口竖直燃烧管道,探究不同甲烷体积分数下,中位粒径分别为65和25μm烟煤粉的火焰传播特性,分析甲烷体积分数对甲烷-煤粉复合火焰结构、温度和速度的影响。结果表明:25μm煤粉比65μm煤粉的火焰更加明亮,甲烷体积分数的增加对65μm煤粉火焰有更强的促进作用;当甲烷体积分数越接近当量比时,火焰锋面越规则,火焰速度也越快;随着甲烷体积分数的增加,火焰温度和火焰传播速度均呈现先增大后减小的趋势;甲烷体积分数为9%时,火焰温度达到最大值;甲烷体积分数为8%和10%时,65和25μm煤粉最大火焰速度为分别为26.53和39.28 m/s。     

障碍物对火焰传播过程影响数值模拟

采用CFD软件AutoReaGas建立典型的物理模型及数值模型来研究管道内障碍物对可燃气体爆炸火焰传播的影响规律。结果表明,障碍物间距、阻塞率的改变会对爆炸场内的火焰传播速率产生巨大影响。障碍物间距的改变对火焰传播速率的影响是一个先增大后减小的过程;低阻塞率下,火焰传播速度较低。但随着阻塞率的增大可燃气体爆炸火焰传播速度得到明显的增大。为障碍物对可燃气体爆炸传播规律的影响的进一步研究提供了理论依据。     

Hele-Shaw通道内瓦斯爆炸火焰特性试验研究

为探究甲烷/空气预混气体当量比对Hele-Shaw通道内火焰爆燃特性的影响，自行设计搭建尺寸(长×宽×厚)为950 mm×200 mm×6 mm的透明有机玻璃瓦斯爆炸管道试验平台。通过改变试验平台厚度研究通道间隙对甲烷/空气预混气体火焰结构与传播特性的影响。结果表明，不同的通道厚度和当量比对火焰锋面结构和火焰传播动态特性有显著影响。当通道厚度为6 mm时，最大火焰传播速度发生在化学当量比下，为12.84 m/s,且在该工况下火焰最先到通道末端，时间为518.57 ms。当量比为0.8的贫燃状态时，在火焰不稳定性的作用下，火焰传播后期出现二次振荡现象及手指形的火焰锋面。随着通道厚度的减小，火焰到达通道末端的时间逐渐变长，对火焰整体传播速度有明显的抑制作用。     

复杂多孔结构对丙烷爆炸的影响

为了揭示复杂多孔障碍物对丙烷/空气爆炸动力学参数的影响，采用小尺寸爆炸管道，运用高速摄像技术和数据采集手段，分析不同试验条件下火焰穿越复杂多孔障碍物前后的形态及管内压力变化。结果表明：受复杂多孔障碍物的影响，爆炸火焰穿过障碍物时，会触发Richtmyer Meshkov不稳定性，火焰失稳，形态复杂；随着障碍物阻塞率的增加，爆炸火焰到达障碍物所在位置的时间减小；复杂多孔障碍物对爆炸火焰有明显的激励作用，火焰传播速度随障碍物阻塞率的增加而增加；在所有试验中，火焰传播速度均在0.4～0.5 m的管段攀升至最大；障碍物阻塞率增加，管道出口端的最大爆炸压力增加，达到最大爆炸压力所需的时间增加，爆燃指数随障碍物上圆孔的间距增加而增加。     

障碍物对油气-空气混合气体泄压爆炸火焰传播特性影响

为了研究障碍物对油气泄压爆炸火焰传播特性的影响规律,进行了不同数量障碍物工况下的对比实验,并利用纹影仪和高速摄影仪记录了火焰传播过程,针对障碍物对火焰形态、火焰锋面位置及火焰传播速度的影响规律进行了研究,结果表明:圆柱体障碍物会导致油气泄压爆炸火焰形态产生褶皱和弯曲变形,诱导层流火焰向湍流火焰转变,加速火焰的传播,对油气泄压爆炸火焰的初始传播形态有显著影响;随着障碍物数量的增多,火焰锋面传播距离点火端的最大距离增大,但到达最远距离的时间减少;障碍物能够增强火焰的传播速度,尤其对障碍物下游火焰影响最为显著,随着障碍物数量的增多,火焰传播的最大速度也随之增大,但达到最大火焰传播速度的时间却随之减少;障碍物的存在增大了油气泄压爆炸过程外部爆炸压力,并且随着障碍物数量的增多,外部爆炸压力峰值增长幅度增大。     

窄带水平集法下林火蔓延仿真研究

火焰锋面的追踪是建立林火蔓延模型及预测锋面位置的关键环节。基于水平集法追踪锋面具有求解灵活稳定、易于处理锋面拓扑结构变化的特点。针对传统水平集法重新初始化过程复杂、计算量较大的问题,根据距离函数定义,提出通过形态学膨胀的方法以锋面点为圆心向外膨胀,获得锋面附近窄带内每个点距离锋面的最近距离,重建窄带内的水平集函数,物理意义明确,有效减小了计算量,在此基础上基于林火速度场经验模型模拟了单火源及双火源的锋面蔓延情况。结果表明,该方法能够有效模拟坡度、风速等因素对火焰锋面的影响,为其在林火蔓延模型中的应用提供了基础。     

金属丝网对甲烷/空气预混火焰管道内传播的影响

为研究管道内金属丝网对甲烷/空气预混火焰传播的影响，通过实验和三维数值模拟研究安装金属丝网的管道内火焰传播特性以及流场、温度场的变化。结果表明:40目4层的金属丝网可以使火焰淬熄，30目4层的金属丝网无法淬熄，但可以使火焰停滞3 ms；大涡模型可以很好地对管道内火焰淬熄现象进行模拟；当火焰穿过30目4层金属丝网时，速度增大，在Kelvin Helmholtz不稳定和Rayleigh Taylor不稳定的耦合作用下形成湍流；金属丝网的目数会影响热量在丝网层中的扩散，当金属丝网为30目4层时，火焰热量扩散快，而当金属丝网为40目4层时，火焰热量扩散慢且温度大幅度衰减，衰减率达到83%。     

管道结构对氢/空预混气体爆炸特性影响研究*

为研究管道结构对氢-空预混气体爆炸特性影响,采用实验与数值模拟相结合的方法,分析不同管道结构内氢-空预混气体燃爆时火焰传播进程、爆炸压力、湍流动能变化及流场分布。结果表明:90°弯管对氢-空预混气体爆炸强度增强作用明显高于T型分岔管和直管。火焰阵面在结构突变处褶皱变形较明显,并出现大尺度强湍流和涡团,气团脉动速度与湍流燃烧速率不断增大,氢-空预混气体质量扩散速率与热量扩散速率增大,湍流动能呈迅速上升趋势。     

障碍物对采用泄爆管泄放气体爆炸影响的数值模拟

采用k-ε湍流模型和漩涡耗散概念模型(EDC)建立了泄爆管泄放气体爆炸的模型,并模拟容器内置障碍物时泄爆管泄放气体爆炸火焰的传播过程,分析了障碍物形状、阻塞率、位置、个数对超压(pred)和压力上升速率的影响.结果表明:障碍物的出现导致燃烧速度和pred上升,正方形障碍物导致的爆炸后果最严重;增加障碍物个数或增大障碍物阻塞率均可增加超压和燃烧速度;障碍物置于容器中心,爆炸后果较强,而靠近点火源或泄爆口,后果有所减弱.     

障碍物与管道壁面间距比对瓦斯爆炸传播特性的影响

运用自建瓦斯爆炸实验平台,对障碍物与管道壁面间距比变化下的瓦斯爆炸特性进行实验研究。结果表明:随着障碍物与管道壁面间距比的增加,预混气体的爆炸压力和平均火焰传播速度都有一定程度的增大,其中当障碍物与管道两侧壁面间距比相同时,对爆炸火焰传播特性的影响最大;相比于其他阻塞率的障碍物,间距比的改变对阻塞率50%的障碍物爆炸压力增幅比最大,对比间距比为0时的爆燃压力,间距比为0.25和0.5时的爆燃压力分别增加了55.6%,101.8%。研究结果可为工业和井下设备的设计、安装提供实验依据,具有一定的理论和现实指导意义。